Tương lai cảm biến mới số hóa xúc giác cho robot

Trong nhiều năm qua, việc chế tạo các cảm biến vật lý linh hoạt đã phải đối mặt với một thách thức lớn đó chính là hiện tượng nhiễu tín hiệu. Các cảm biến thông thường khó có thể phân biệt được sự thay đổi tín hiệu do áp lực (lực tác động vuông góc) hay do lực căng (lực tác động kéo dài) dẫn đến dữ liệu thu được kém chính xác.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo một loại cảm biến sử dụng cơ chế kép. Thay vì chỉ dựa vào một phương pháp duy nhất như đo điện trở hay điện dung, cảm biến này kết hợp cả hai để tách biệt hai loại tín hiệu.

Cụ thể hơn, nhóm nghiên cứu khoa học tại Đại học Keio (Nhật Bản) vừa giới thiệu một loại cảm biến quang mềm dẻo có khả năng phát hiện đồng thời vị trí và độ mạnh của lực tác động, mở ra nhiều triển vọng cho robot, thiết bị đeo và y học.

Theo giải thích từ nhóm nghiên cứu, cảm biến được chế tạo từ silicone đàn hồi (PDMS) với các kênh dẫn quang siêu nhỏ bên trong. Khi có lực tác động, các kênh này bị biến dạng khiến ánh sáng truyền qua thay đổi, từ đó giúp xác định chính xác điểm nhấn và cường độ lực. Với độ dày chỉ 0,5mm nhưng vẫn duy trì độ bền và khả năng phục hồi sau nhiều lần nén, cảm biến cho thấy sự ổn định cao trong quá trình thử nghiệm. Các thử nghiệm còn cho thấy cảm biến đạt độ nhạy áp lực ấn tượng, phản ứng gần như tức thì chỉ trong vài chục mili-giây và có thể phân biệt các vị trí cách nhau khoảng 1,5mm.

Điểm nổi bật của nghiên cứu nằm ở cách bố trí nhiều lõi dẫn quang trên cùng một tấm silicone. Khác với các cảm biến sử dụng sợi quang thủy tinh thông thường vốn hạn chế về tính linh hoạt và khả năng tùy chỉnh, cảm biến dẻo thế hệ mới có thể được tối ưu về độ nhạy và cấu hình, giúp tăng cường khả năng cảm nhận lực tác động đa điểm.

Ý nghĩa thực tiễn của công nghệ này phải nói là rất rộng. Trong lĩnh vực y tế, thiết bị có thể hỗ trợ theo dõi áp lực lên da bệnh nhân, giúp phòng tránh viêm loét do tỳ đè lâu ngày, hoặc tích hợp vào tay giả để mang lại phản hồi xúc giác tự nhiên hơn. Với robot, thiết bị sẽ đóng vai trò như "làn da nhân tạo", giúp máy móc nhận biết được sự tiếp xúc tinh tế hơn, từ đó vận hành an toàn hơn khi làm việc cạnh con người. Trong đời sống thường nhật, các thiết bị đeo thông minh có thể tích hợp cảm biến này để ghi nhận mức độ vận động hoặc mang đến trải nghiệm xúc giác trong môi trường thực tế ảo và thực tế ảo tăng cường.

Tuy vậy, công nghệ vẫn cần tiếp tục được cải tiến để đạt cảm giác tinh tế tương đương làn da người. Ngoài ra, chi phí sản xuất, khả năng mở rộng sang bề mặt lớn và tính bền bỉ khi sử dụng lâu dài cũng là những yếu tố then chốt để đưa sản phẩm từ phòng thí nghiệm ra thị trường. Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang hướng đến các cấu trúc dẫn quang chéo ba chiều, qua đó tăng mật độ điểm cảm nhận và cải thiện khả năng xác định lực đa hướng. Nếu thành công, điều này có thể giúp thiết bị trở thành nền tảng quan trọng cho thế hệ cảm biến xúc giác tiếp theo.

Trong bối cảnh nhu cầu về robot cộng tác, thiết bị y tế thông minh và công nghệ thiết bị đeo ngày càng tăng, cảm biến quang mềm này hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thu hẹp khoảng cách giữa con người và máy móc, mang đến những ứng dụng thực tiễn mạnh mẽ trong tương lai.